南陽盆地地熱地質特征研究

韓國童，張富有，彭 妮

(河南省地質測繪總院，河南 鄭州450006)

地熱是一種新型清潔能源，同時也是可再生綠色環保能源，具有“熱、礦、水”三種基本特征。它可廣泛應用于發電、供熱供暖、溫泉洗浴、醫療保健、種植養殖、旅游等領域，因而地熱資源的開發和利用具有光明的前途和可觀的經濟效益，受到世界各國的重視。位于河南省西南部的南陽盆地，地熱成礦地質條件有利，熱儲層埋深適當，水量大，水溫較高，充分開發本區域的地熱資源，對改善生態環境、提高人民生活質量、促進經濟社會可持續健康發展都具有重要意義。

1 區域地質背景

南陽盆地位于河南省西南部，北靠伏牛山，東扶桐柏山，西依秦嶺，南臨漢江，東界河南省泌陽縣、桐柏縣，南接湖北省襄樊市、鄖陽地區，西與河南省淅川縣相連。南陽盆地屬秦嶺地層區，該地層區斷裂發育，特別是長期活動的深斷裂十分發育，對各地質時期的沉積作用、巖漿活動和變質作用有著十分重要的控制作用，也影響著區域地下水的分布和富集。

1.1 地層

根據普查區地形地貌、鉆孔揭露，結合水文地質物探測井資料，區域地層層序自下而上為中元古界定遠組，新元古界耀嶺河組，古生界下寒武統、中寒武統、上寒武統、下奧陶統、中奧陶統、下志留統、上志留統、中上泥盆統、下石炭統、上石炭統，中生界上白堊統，新生界古近系始新統、新近系，第四系下更新統、中更新統、上更新統、全新統。與地熱資源有關的地層為主要為古近系、新近系和第四系。

1.1.1 古近系(E)

主要為廖莊組、核桃園組。主要巖性上部為紫紅色泥巖夾粉砂巖，中部以灰色泥巖為主夾砂巖，下部為深灰色泥灰巖、泥巖、灰質砂巖不等厚互層夾油頁巖及含油砂巖，厚762～2 700 m。

1.1.2 新近系(N)

主要為上寺組，巖性為紅棕色砂質泥巖含礫巖。據鉆孔揭露巖性為橄欖綠色、蘭灰色及灰蘭色泥巖、砂巖及含礫泥質粗砂巖，具細而清晰的水平層理，厚30～932 m。

1.1.3 第四系地層(Q)

主要為中粗砂或泥質砂礫石、細砂、粉細砂、粉砂、粘土質粉砂、粉質粘土、粘土等，厚約100 m。

1.2 構造

南陽盆地是燕山構造運動晚期形成的以古近系為主的中、新生代陸相斷陷盆地，面積為 1.7×104km2［1］。盆地的基底巖石為太古代太華雜巖，沉積蓋層主要有中—晚元古代官道口群、欒川群、汝陽群和洛峪群。盆地沉積層在中部較厚，最厚超過6 000 m，向盆地邊緣漸薄。南陽盆地內呈兩隆(師崗、新野凸起、唐河低凸起)、三凹(南陽、泌陽、襄棗斷陷)基本構造格架［2］。其中南陽斷陷、新野凸起和棗—襄斷陷位于盆地的中部。

本區對中、新生代沉積特征起控制作用且與地熱有密切關系的大型斷裂有6條，各斷層特征如表1所示。

表1 斷層特征表

2 地熱地質條件

2.1 熱源

南陽盆地是河南省最大的一個山間盆地，地熱系統屬沉積盆地型［3］(傳導型)。沉積盆地型是地球內的熱能通過傳導方式傳遞到地表，地表一般無地熱顯示，自恒溫帶以下溫度隨深度的增加而升高。南陽盆地熱儲類型屬層狀松散巖類孔隙熱儲。熱源主要來自地殼深處及上地幔的傳導熱。根據物探資料，該區為莫霍面相對隆起區，可從地球內部向地表傳導相對較高的熱流，最有利于地下水升溫。另外，靠近本區的6條斷裂，有利于深部熱量的傳導和對流，對該區增溫也起到了重要作用。

2.2 蓋層

本區地熱蓋層為第四系、新近系上寺組、古近系廖莊組。第四系主要由粘土、砂質粘土和粉細砂組成;新近系上寺組主要由粘土、粉質粘土、砂質粘土、粉細砂構成;古近系廖莊組主要由泥巖、粉砂巖、泥巖組成。粘土、粉質粘土、砂質粘土、泥巖和粉砂巖單層厚度大，一般在10～37 m左右，熱導率低，是良好的隔水層和不透水層，使熱能得以保存和儲集。視開采層段的不同，它們可單獨也可共同構成熱儲層的蓋層。本區第四系、新近系上寺組和古近系廖莊組地層的總厚度為550～1 200 m。

2.3 熱儲層

本區常被利用的有新近系上寺組、古近系廖莊組及古近系核桃園組一段三個熱儲層。

1)上寺組熱儲層:頂板埋深為78～220 m，底板埋深為550～1 200 m，地層厚度為50～300 m，熱儲累計厚度為30～150 m。含水層單層厚度為1～20 m，可采層數一般為22～24層。巖性以粉砂、中砂和細砂為主，含水豐富。孔隙度值相對較高，基本在27.6%左右，滲透系數平均值為0.412～0.82 m/d。熱儲層溫度32～51℃，單井出水量為160～530 m3/d(降深20 m時)。

2)廖莊組熱儲層:頂板埋深為780～1 100 m，底板埋深為1 200～1 330 m，地層厚度330～550 m，熱儲層累計厚度為32～110 m，含水層單層厚度為1～20 m，可采層數一般為22～24層。巖性以粉砂巖、細砂巖為主，含水豐富。孔隙度值相對較高，基本在19.4% ～23.7%之間。單井出水量不詳。

3)核桃園組一段熱儲層:頂板埋深為78～220 m，底板埋深為150～1 900 m，地層厚度為130～430 m，熱儲累計厚度為26～350 m。含水層單層厚度為1～20 m，可采層數一般為5～12層。巖性以細砂巖、中砂巖及粉砂巖為主，含水豐富。孔隙度值相對較高，基本在16.8～24.4%左右，滲透系數平均值為0.11～0.412 m/d。熱儲層溫度40～74℃，單井出水量為162～460 m3/d(降深20 m時)。

2.4 傳熱導水通道

南陽盆地地熱田內目前尚無大地熱流測點，依據中國大陸地區大地熱流值統計結果進行的構造分區，南陽盆地位于華北—東北構造區［4］，平均熱流值為59～63 mw/m2，與全國平均值相接近，屬正常地熱區域。這意味著不存在深部高熱背景，上部地殼不存在侵位的巖漿囊一類的高溫熱源，區域大地熱流是本區的供熱熱源，在可及深度范圍內(以3 000 m深度為準)，不具有高溫地熱資源形成的條件，屬低溫(25℃～90℃)地熱資源。

賦存于新近系熱儲層中的地下熱水，起源于大氣降水。然而，普查區熱儲層埋藏較深，上部還有80～800 m厚的第四系覆蓋層，新近系熱儲層不大可能直接接受大氣降水的補給，而是通過側向徑流方式獲取上游方向徑流來的地下水的補給。賦存于古近系熱儲層中的地下熱水，起源于山前大氣降水入滲，通過地下水側向徑流和斷裂帶入滲后側向徑流方式獲得補給。

3 南陽盆地地球物理特征

3.1 地溫梯度特征

由本區鉆孔地溫點測資料及測井地溫變化曲線可知:南陽盆地恒溫帶深度30 m，恒溫帶溫度16.6℃。地溫梯度是指恒溫帶以下單位深度內地溫增加值，一般用℃/100 m表示。在不同地區，地溫梯度值有很大的變化，地殼的近似平均地熱梯度是每千米25℃，即2.5℃/100 m。一般地溫梯度接近或者高于地溫梯度平均值的地區稱為地熱異常區。地溫梯度一般根據下式進行計算:

式中:T為地溫梯度(℃/100m);Tm為孔底溫度(℃)，如無孔底溫度，可用井口水溫代替;T0為恒溫帶溫度(℃);Hm為孔深(m);H0為恒溫帶深度(m)。

依據區內地熱井調查資料，結合恒溫帶溫度，采用式(1)計算南陽盆地增溫帶地層的地溫梯度值，計算成果見表2。

表2 南陽盆地地溫梯度表

上述資料表明，南陽盆地地溫梯度為1.5℃ ～3.9℃/100 m，1000 m 深度的溫度達34.2℃ ～69.0℃，推測1 500 m 深度的地熱溫度達43.2℃ ～96.0℃。南陽盆地地層地溫剃度平均為2.6℃/100 m，大于地殼的近似平均地溫梯度2.5 C/100 m，表明該區存在地熱異常。

3.2 巖石物理特性

鉆孔揭露的地層熱儲巖石主要為砂巖。為了弄清熱儲巖石物理特性，在鉆孔時采集了7組巖芯樣做巖礦分析，分析項目為熱導率、孔隙度和密度。測試結果見表3。

表3 巖石物理特性表

根據對巖石物理特性分析，熱儲含水層平均熱導率為2.623 W/mK，平均顆粒密度為 2.677 g/cm3，平均孔隙度為21.98% 。

3.3 大地熱流值特征

大地熱流是地球內部熱能傳輸至地表的一種現象。大地熱流的量值稱大地熱流量，它是地熱場最重要的表征，也是反映一個地區地溫場基本特征的綜合參數，是地球內熱在地表可直接測得的唯一物理量。熱流量是由巖石導熱率和垂直地溫梯度的乘積計算而來，即:

式中:q為大地熱流值，mW/m2;λ為巖石熱導率，W/mK;G為地溫梯度，℃/100 m。

本區巖石導熱率值取用砂巖熱導率(2.623 W/mK)，地溫梯度取用本區計算平均值(2.6℃/100 m)。計算地熱田平均大地熱流值為68.2 mW/m2，即1.6HFU，略高于地球表面平均熱流量(1.2 ～1.4HFU)。

4 熱儲層地熱水化學成分特征

4.1 上寺組

該地層地熱水中主要陽離子為Na+，其含量為375.2～380 mg/L;主要陰離子為SO42－和HCO3－，其含量分別為197～717.4 mg/L 和 284～673.7 mg/L;水化學類型 SO4·HCO3—Na型。熱水礦化度為1 363～1 828 mg/L，屬鹽水;pH 值為 7.96 ～8.10，屬中性水;總硬度(以 CaCO3計)為144.97 ～255.8 mg/L，屬硬水。

地熱水中氟含量達到了命名礦水濃度，偏硅酸含量達到了有醫療價值濃度和礦水濃度，且水溫較高，并含有鐵、錳、鋰和放射性元素等多種對人體有益的微量元素，對人體具有一定的療保健作用，可作為供暖、醫療及洗浴等用水開發。地熱水對金屬有中等腐蝕性，結垢性弱，不易形成鍋垢。

4.2 廖莊組

該地層地熱水中主要陽離子為Na+，其含量為336～350 mg/L;主要陰離子為 Cl－和 HCO3－，其含量分別為 293.5～362.6 mg/L 和 249.8 ～356.9 mg/L;水化學類型 HCO3·Cl—Na型。熱水礦化度為1 115～1 160 mg/L，屬鹽水;pH值為8.20 ～8.48，屬中性水;總硬度(以 CaCO3計)為 74.6 ～75.54 mg/L，屬硬水。

地熱水水溫較高，并含有鐵、錳、鋰和放射性元素等多種對人體有益的微量元素，對人體具有一定的療保健作用，可作為供暖、醫療及洗浴等用水開發。地熱水對金屬有中等腐蝕性，結垢性弱，不易形成鍋垢。

4.3 核桃園組

該地層地熱水中主要陽離子為Na+，其含量為266～335 mg/L;主要陰離子為HCO3－和SO42－，其含量分別為249.8 ～356.9 mg/L 和 119.6 ～574.7 mg/L;水化學類型 HCO3·SO4—Na型。熱水礦化度為1 110～1 235 mg/L，屬鹽水;pH值為 7.46 ～8.50，屬中性水;總硬度(以 CaCO3計)為 74.5 ～369.2 mg/L，屬硬水。

地熱水中偏硅酸含量達到了有醫療價值濃度和礦水濃度，水溫較高，并含有鐵、錳、鋰和放射性元素等多種對人體有益的微量元素，對人體具有一定的療保健作用，可作為供暖、醫療及洗浴等用水開發。地熱水對金屬有中等腐蝕性，結垢性弱，不易形成鍋垢。

5 熱儲模型

本區屬層狀松散巖類孔隙型低溫地熱田，熱儲模型圖如圖1所示。熱儲層在地球內部傳導熱作用下，從地球深部源源不斷獲得熱能。賦存于新近系熱儲層中的地下熱水，起源于大氣降水。然而，普查區熱儲層埋藏較深，上部還有80～800 m厚的第四系覆蓋層，新近系熱儲層不大可能直接接受大氣降水的補給，而是通過側向徑流方式獲取上游方向徑流來的地下水的補給。模型中，以近似水平的蘭色箭頭表示新近系熱儲層獲取側向徑流的補給。賦存于古近系熱儲層中的地下熱水，起源于山前大氣降水入滲，通過地下水側向徑流和斷裂帶入滲后側向徑流方式獲得補給。上部第四系、新近系和古近系所含多層厚層粘土、粉砂、粉砂巖、泥巖，是非常好的隔水層和保溫蓋層，使熱能得以保存和儲集。

圖1 沉積盆地型地熱系統熱儲模型

6 地熱資源量計算

6.1 地熱資源量

地熱資源計算方法有熱儲法、自然放熱量推算法、水熱均衡法等。熱儲法是目前國際上廣泛運用的計算沉積盆地型地熱系統地熱資源的計算方法，本次地熱資源計算采用熱儲法。計算公式如下:

式中:QR為熱儲層儲存的熱量(J);A為計算區面積(m2);d為熱儲厚度(m);tr為熱儲溫度(℃);tj為基準溫度(當地地下恒溫層溫度或年平均氣溫，℃);C為熱儲巖石和水的平均比熱容(J/m3·℃)，由下式求出:

式中:ρc為巖石的密度(kg/m3);ρw為熱水的密度(kg/m3);Cc為巖石的比熱(J/kg·℃);Cw為熱水的比熱(J/kg·℃);Φ為巖石的孔隙度(%)。

將(4)式代入(3)式即得熱儲層儲存熱量的計算公式:

計算結果見表4。

6.2 地熱資源可開采量

用熱儲法計算出的資源量，不可能全部被開采出來，只能開采出一部分，采用最大降深法計算地熱資源可開采量，用下式表示:

式中:Q可為年可開采出的地熱流體量(m3/a);μe為彈性釋水系數;A為計算區面積(m2);Smax為最大允許降深(m);T為設計開采時間(a)。

表4 地熱資源量計算結果

彈性釋水系數(μe)是表示水頭降低一個單位時，由含水層內骨架的壓縮和水的膨脹而從水平面積為一個單位、高度等于含水層厚度的柱體中所釋放出的水量。根據抽水試驗數據，利用泰斯公式求得彈性釋水系數為6.6×10－4。

最大允許降深(Smax)和設計開采時間(T)根據實際條件確定，本次地熱資源可開采量計算，Smax取150 m，T取50a，計算南陽盆地地熱資源可開采量，計算結果見表5。

表5 地熱資源可開采量計算結果

7 結論

1)南陽盆地屬層狀松散巖類孔隙型低溫地熱田。

2)本區常被利用的有上寺組、廖莊組和核桃園組三個熱儲層，其中上寺組的水化學類型為SO4·HCO3—Na型，廖莊組的水化學類型為HCO3·Cl—Na型，核桃園組的水化學類型為 HCO3·SO4—Na型。

3)本區上寺組和核桃園組熱儲層的地熱水溫度較高，偏硅酸含量達到了有醫療價值濃度和礦水濃度，可作為供暖、醫療及洗浴等用水開發。

4)南陽盆地平均地溫剃度為2.6℃/100 m;熱儲含水層平均熱導率為2.623 W/mK，平均顆粒密度為2.677 g/cm3，平均孔隙度為21.98%;平均大地熱流值為68.2 mW/m2。

［1］李國良，蔡佳，甘華軍，廖計華.南陽凹陷邊界斷裂帶砂體反演及預測［J］.巖性油氣藏，2010，22(2):99－102.

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［4］胡圣標，何麗娟，汪集旸.中國大陸地區大地熱流數據匯編(第三版)［J］.地球物理學報，2001，44(5):611－626.